华北地壳上地幔结构及其大地震深部构造成因

华北克拉通是中国大陆东部的一个重要的大地构造单元.20世纪60~70年代,华北地区发生了一系列强烈地震.近半个世纪以来,中国地震学家对华北地区地壳上地幔结构开展了大量的探测和研究,在地壳上地幔结构以及与强烈地震相关的深部构造环境等重大地球科学问题上取得了显著的进展.华北大震区的深地震剖面探测显示了地壳上部铲式正断层和低角度的滑脱构造与震源下方贯通下地壳直至莫霍面的高角度深断裂共存的复杂构造图像.地震层析成像揭示,华北大震大多都发生在高速与低速区的过渡带上,而唐山地震区中-下地壳存在明显的低速异常.震源区下方的低速异常带,地壳深浅构造不一致,高角度超壳深断裂,上地幔顶部速度偏低,以及莫霍界面局部隆起等,是华北伸展构造区深部孕震环境的共同特征,表明华北岩石圈结构具有高度不均匀性.华北克拉通现今的强烈地震活动性以及偏低的下地壳速度,显著区别于世界上其他稳定克拉通.所有这些都是华北克拉通破坏的重要证据.尽管深地震探测和地震层析成像研究大大丰富了深部构造和孕震环境的知识,一些深层次的问题需要进一步的研究.     

大陆地壳和上地幔的地震学

引言在过去的四年里,对于美国大陆地壳及下地壳岩石层的地震学研究比过去任何同期内完成得都多,而且不断增长的研究活动大概会持续数年。几种趋势说明了这种现象。首先,最初由美国大陆反射剖面合作集团(COCORP)的研究结果(Brown and others,1986),后来又由英国反射剖面研究协会(BIRPS)的研究结果(Matthews and Cheadle,1986)所引起的对地震反射研究的兴趣已经导致了几项其它地震反射计划的制定。这些最有效的研究计划有:怀俄明大学(Smithson and others,1986)、弗吉尼亚工业学院(Virginia PolytechnicInstitute)、美国西南部地壳构造研究加州各大学联合体(CALCRUST,Henyey,1986)和美国地质调查局(Hamilton,1986)的计划。     

中国大陆地壳和上地幔三维温度场

根据Goes等发展的方法, 利用层析成像提供的S 波波速计算得到了中国大陆上地幔三维温度场, 所得到的上地幔温度场的1300℃绝热等温温度深度与地震学低速带顶部的深度大体吻合. 用计算的上地幔80 km深度温度和地表温度作为边界约束条件, 利用稳态热传导模型计算得到了中国大陆80 km深度以上(地壳和上地幔)部分的三维温度场. 在大多数有丰富可靠地表热流测量的地区, 这样计算的地表热流与实际观测地表热流的偏差在地表热流观测误差范围之内. 中国大陆地壳的温度在25 km深度呈现明显的东高西低分布. 东部温度约在500~600℃度之间; 西部温度小于500℃, 塔里木克拉通的温度最低、达460℃. 100 km 深度的上地幔温度也呈东高西低分布. 东部和东南部温度普遍高于1300℃绝热等温温度; 西部主体温度低于1300℃绝热等温温度. 塔里木克拉通和四川盆地表现出了明显的低温. 在150 km深度, 华南、扬子克拉通东部和整个华北克拉通高于1300℃绝热等温温度, 羌塘附近地区的温度也达到了1300℃绝热等温温度. 四川盆地附近表现出低温状态, 但塔里木克拉通中心的温度比周围高. 印度次大陆与中国大陆碰撞带附近的温度最低. 200 km 深度的温度分布明显与印度次大陆俯冲相关. 该俯冲带影响强烈地区呈现较冷状态, 其温度低于1300℃的绝热等温温度.     

中国大陆上地幔各向异性和壳幔变形模式

近10年来,中国布设的宽频带地震台站大幅度增加.宽频带地震记录中含有大量的剪切波分裂信息,它在揭示中国大陆上地幔的各向异性特征起重要作用.本文对这些台站的远震SKS和(或)SKKS记录,采用最小切向能量的分析方法,确定各台站剪切波分裂的快波偏振方向和延迟时间.此外,还收集了前人在中国大陆及其周边地区的剪切波分裂研究的部分结果,形成拥有1020个剪切波分裂参数对的数据集.这些分裂参数展示了复杂的上地幔各向异性图像.统计分析表明,中国大陆存在较强的上地幔各向异性,平均的剪切波时间延迟为0.95 s,其中西部地区为1.01 s,东部地区为0.92 s.西部地区的各向异性强度略大于东部地区.在大尺度意义下,青藏高原及天山地区,其SKS波分裂和地表变形数据共同支持岩石圈变形模式,即地壳与岩石圈地幔是连贯变形的;东部地区的平均快波偏振方向近似平行于绝对板块运动方向,上地幔各向异性归因于软流圈流动.中部的鄂尔多斯至四川盆地一带为东、西部两种变形模式的过渡带,各向异性结构较为复杂,表现为"化石"各向异性和(或)双层各向异性.印度板块和欧亚板块的碰撞是中国大陆西部上地幔各向异性的主要影响因素,东部地区则与太平洋板块和菲律宾板块向欧亚板块俯冲有关.     

利用地震转换波探测地壳、上地幔构造试验

当远震P波通过地壳、上地幔速度界面时,除了产生PP型折射波,还产生一系列PS型折射转换波.这类PS转换波与初至P波之间的到时差,可用来测定地壳和上地幔构造. 转换波测深法首次在我国鲁西夏津—高唐地区和京西昌平地区进行了试验应用.为提高转换波震相识别的可靠性,在资料分析中采用了偏振滤波的方法.工作结果获得了上述两地区的深部构造剖面图.转换波法与爆炸地震法所得结果之对比表明,两者的主要界面基本一致.     

利用地震转换波探测地壳、上地幔构造试验

当远震P波通过地壳、上地幔速度界面时,除了产生PP型折射波,还产生一系列PS型折射转换波.这类PS转换波与初至P波之间的到时差,可用来测定地壳和上地幔构造. 转换波测深法首次在我国鲁西夏津-高唐地区和京西昌平地区进行了试验应用.为提高转换波震相识别的可靠性,在资料分析中采用了偏振滤波的方法.工作结果获得了上述两地区的深部构造剖面图.转换波法与爆炸地震法所得结果之对比表明,两者的主要界面基本一致.     

张北—尚义地震区的壳幔构造

通过对河北张家口地区的深地震测深宽角反射／折射剖面资料的研究表明：近东西向的张北—崇礼地壳断裂带与北西西向的张家口—渤海地壳深断裂带在张北６２级地震区交汇。在这里延伸至莫霍面的地壳深断裂带和壳内界面的不连续处是汉诺坝大面积玄武岩溢出的通道。震区中上地壳内的局部速度逆转和下地壳内异常的低速带预示着岩浆活动仍较强烈。张家口—渤海地壳深断裂带近期活动可能是张北地震发生的主要因素     

云南地壳和上地幔的岩石学结构

通过对地表出露变质岩、深部地震测深资料和高温高压岩石波速测试资料的综合分析 ,研究了云南地壳和上地幔岩石组成。结果表明 ,云南上、中、下地壳分别由绿片岩相 (顶部为沉积层 )、角闪岩相和麻粒岩相变质岩组成或分别由与之相当的花岗岩类、闪长岩类、辉长岩类组成 ,部分地区地壳底部有镁铁质榴辉岩存在。上地幔由橄榄岩组成 ,部分地区 (兰坪思茅坳陷和滇中坳陷 )壳幔过渡带可能由镁铁质榴辉岩和橄榄岩组成     

地壳、上地幔变形属性的判别

基于Ｍａｘｗｅｌｌ和Ｋｅｌｖｉｎ流变模型，以延续时间与松弛期的比值，即松弛数，作为衡量指标，对地壳、上地幔不同层次的变形属性进行了判别。结果表明，除软流圈地幔主要为粘性流动外，其上各层的情况是：在漫长的地质过程中，不仅岩石圈地幔和下地壳属于粘性，上地壳也有可能处于粘性流动状态；在延续数十年的情况下，上地壳以及岩石圈地幔都可能呈弹性状态；延续时间介乎二者，通常上地壳为弹性，下地壳和岩石圈地幔为粘性或滞弹粘性。此外，还结合变形属性的判别，就岩石圈地幔的流动和板内的驱动力远程传递等问题进行了讨论     

青藏高原东缘地壳、上地幔电性结构探测及其构造意义

利用大地电磁测深(简称MT)方法对青藏高原东缘地区进行了地壳、上地幔电性结构探测研究,得到了该区具有特殊的电性结构特征,探测结果清晰揭示出:(i)鲜水河断裂带是一条规模巨大的岩石圈断裂,它是川滇菱形块体的重要边界断裂;(ii)测区为强震多发区,断裂两侧块体介质的差异是强震活动带重要的深部背景;(iii)川滇菱形块体北部地区十几公里下,发现存在大规模低阻体,电阻率仅为几～几十欧姆·米,该层约以45°角向北东下延,与青藏高原侧向挤出,物质向东流变,受刚性块体阻挡有关。从深部介质电性特征,推断现今川滇菱形块体北部处在热状态,是近代很活动的块体之一;(iV)测区内岩石圈厚度由西段(川滇北部块体)逐渐向东(扬子块体)增厚。     

广东深圳—增城地壳及上地幔电性结构探测

作者应用西德METRONIX公司MMS-02型电磁测深仪在深圳—增城剖面四个测点进行了观测记录.通过对资料的计算及处理取得了该剖面地下电性结构各参数。文中初步认为其地下约10公里深处,存在厚度7至24公里,电阻率约为10欧姆米的低电阻层.并推算认为其上地幔高导层埋深平均为110公里,其埋深由西北向东南有变浅的趋势。作者通过阿达姆(Adam)公式估算本区大地热流值为1.26HFU。推算认为:其地下深处电性结构主轴为北西向,与航磁延拓资料认为北北西向的大亚湾断裂基本吻合。     

天山地壳上地幔的S波速度结构

2003年4月—2004年9月，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室横跨天山布设了由60个观测台站组成的流动宽频带地震台阵。其中，沿奎屯-库车横跨天山的观测剖面共有51个台站，剖面长度近500 km。利用接收函数方法（刘启元等，1996，2005），得到了沿该剖面的接收函数和100 km深度范围内的地壳上地幔Ｓ波速度结构。与前人的探测结果相比，本文的结果进一步揭示了横跨中国境内天山造山带地壳结构的横向变化，给出了天山地壳变形和盆山耦合关系的新证据。结果表明     

云南地壳和上地幔的岩石学结构

通过对地表出露变质岩、深部地震测深资料和高温高压岩石波速测试资料的综合分析，研究了云南地壳和上地幔岩石组成。结果表明，云南上、中、下地壳分别由绿片岩相(顶部为沉积层)、角闪岩相和麻粒岩相变质岩组成或分别由与之相当的花岗岩类、闪长岩类、辉长岩类组成，部分地区地壳底部有镁铁质榴辉岩存在。上地幔由橄榄岩组成，部分地区(兰坪思茅坳陷和滇中坳陷)壳幔过渡带可能由镁铁质榴辉岩和橄榄岩组成。     

中国境内天山地壳上地幔结构的地震层析成像

根据横跨中国境内天山的库车—奎屯宽频带流动地震台阵和区域地震台网记录的近震和远震P波走时数据,利用地震层析成像方法重建了沿该地震台阵剖面下方400 km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构.结果表明：沿新疆库车—奎屯剖面,天山地壳具有明显的横向分块结构,且南、北天山地壳显示了较为强烈的横向变形特征,表明塔里木地块对天山地壳具有强烈的侧向挤压作用;在塔里木和准噶尔地块上地幔顶部有厚度约60～90 km的高速异常体,塔里木—南天山下方的高速异常体产生了较为明显的弯曲变形,而准噶尔—北天山下方的高速异常体向南一直俯冲到中天山南侧边界下方300 km的深度,两者形成了不对称对冲构造;在塔里木和准噶尔地块下方150～400 km深度存在上地幔低速体,其中塔里木地块一侧的上地幔低速物质上涌到南天山地块的下方;在塔里木—南天山200～300 km深度范围的上地幔存在高速异常体,它可能是地幔热物质向上迁移过程融断的塔里木岩石圈的拆离体. 上述结果表明,塔里木地块的俯冲可能涉及整个岩石圈深度,但其前缘仅限于南天山的北缘;青藏高原隆升的远程效应可能不但驱动塔里木岩石圈向北俯冲,同时还造成天山造山带南侧上地幔物质的涌入;天山造山带上地幔广泛存在的低速异常有助于其上地幔的变形,而上地幔物质的强烈非均匀性应有助于推动天山造山带上地幔小尺度地幔对流的形成;根据研究区地壳上地幔速度结构特征推断,新近纪以来天山快速隆升的主要力源来自青藏高原快速隆升的远程效应,相对软弱的上地幔为加速天山造山带的变形和隆升创造了必要条件.     

张北一尚义地震区的壳幔构造

通过对河北张家口地区的深地震测深宽角反射／折射剖面资料的研究表明：近东西向的张北－崇礼地壳断裂带与北西西向的张家口－渤海地壳深断裂带在张北６．２级地震区交汇。在这里延伸至莫霍面的地壳深断裂带和壳内界面的不连续处是汉诺坝大面积玄武岩溢出的通道。     

全球地壳、上地幔电导率经向分布特征

计算了对应于各个ＵＴ小时的２４个经度带的Ｓ_q地下感应场对外部施感场的响应函数，应用Ｓｃｈｍｕｃｋｅｒ＇ｓＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｅＥｕｒｉｓｔｉｃ反演方法，计算了这些经度带的地下等效层及其电导率分布，得到了地壳－上地幔电导率经向分布的大致图案。对该结果的分析研究得出，全球电导率经向分布存在着极大的不均匀性，在０－４００ｋｍ深度范围内，太平洋和大西洋为低导区；欧亚大陆与美洲大陆为高导区。电导率分布特征与岩石层结构有明显的相关性：在俯冲带，低导区由海洋向大陆下插入；在大洋中脊表现为高导电性。反演结果与地震层析成像结果的比较表明，地下高电导区和低电导区的位置分别对应于地震波低速区和高速区。     

全球地壳、上地幔电导率经向分布特征

计算了对应于各个ＵＴ小时的２４个经度带的Ｓq地下感应场对外部施感场的响应函数,应用Ｓｃｈｍｕｃｋｅｒ＇ｓＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｅＥｕｒｉｓｔｉｃ反演方法,计算了这些经度带的地下等效层及其电导率分布,得到了地壳－上地幔电导率经向分布的大致图案。对该结果的分析研究得出,全球电导率经向分布存在着极大的不均匀性,在０－４００ｋｍ深度范围内,太平洋和大西洋为低导区;欧亚大陆与美洲大陆为高导区。电导率分布特征与岩石层结构有明显的相关性：在俯冲带,低导区由海洋向大陆下插入;在大洋中脊表现为高导电性。反演结果与地震层析成像结果的比较表明,地下高电导区和低电导区的位置分别对应于地震波低速区和高速区。     

初论华北板内地震断层特征及其与地壳、上地幔动力学过程的关系

本文研究了华北121个地震断层的错动方式,40个地震断层的走向,15个地震断层的破裂方式与扩展方向。在此基础上发现了华北板内地震断层特征与上地幔隆起带之间的某些规律性联系。作者认为:由于上地幔软流圈的异常活动,上地幔顶部隆起的底辟作用以及重力均衡作用,华北大陆地壳正在经历着一种透镜化的拉薄改造过程,据此可以解释华北板内地震断层的特征,并进而探讨华北板内地震高强度性的原因     

中国东部大陆上地幔的基本状况

本文概述了近年来我国在地幔岩石学和地球化学研究中取得的主要结果。重点讨论了地幔流体在地幔过程中的重要作用，特别是地幔流体成矿作用，我国东部陆下地幔化学的区域性特征及其动力学意义。     

利用面波波形模拟探测中国大陆地壳和上地幔波速结构的分区特征

对穿过中国大陆东部、中部、北部和西部4个不同地区的8条地震射线路径的波形进行拟合分析,反演得到了各路径下方的一维平均波速结构.反演得到的地壳和上地幔波速结构表现出明显的分区特征,该特征与已知的大地构造单元和已有的研究成果吻合较好. 表明面波波形拟合方法是一种可靠的探测地壳和上地幔波速结构的方法,且比单纯利用基阶面波频散对上地幔结构探测更具优势.